EP1459347A2 - Tube a vide et son procede de fabrication - Google Patents

Tube a vide et son procede de fabrication

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EP1459347A2
EP1459347A2 EP02796902A EP02796902A EP1459347A2 EP 1459347 A2 EP1459347 A2 EP 1459347A2 EP 02796902 A EP02796902 A EP 02796902A EP 02796902 A EP02796902 A EP 02796902A EP 1459347 A2 EP1459347 A2 EP 1459347A2
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EP
European Patent Office
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ceramic
conductive
electrode
tube
electrodes
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EP02796902A
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EP1459347B1 (fr
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Pascal Thales Intellectual Property PONARD
Marc Thales Intellectual Property FERRATO
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
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Application granted granted Critical
Publication of EP1459347B1 publication Critical patent/EP1459347B1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems

Definitions

  • the invention relates to a method of manufacturing electrodes, designed mainly for producing electronic vacuum tubes, and in particular tubes using an electron collector; the collector collects the electrons after using a fraction of the energy which has been communicated to them by an electric acceleration field created in the vacuum tube.
  • This manufacturing process can be used for making other electrodes than electronic tube collectors. More generally it is applicable to the production of electrodes of all kinds of total or partial vacuum devices involving in this vacuum a physical transport of charged elementary particles (electrons but also ions) which can be accelerated, or slowed down or collected by device electrodes.
  • the method will however be described with regard to the most interesting application which is the production of the collector of an electronic vacuum tube with linear beam.
  • linear beam tubes are: single or multibeam lystrons, traveling wave tubes, carcinotrons, inductive output tubes (IOTs). These tubes generally operate by making an electromagnetic wave and a linear electron beam interact in an area known as the interaction area, the beam communicating part of its kinetic energy to the electromagnetic wave to amplify it. Generally, the beam still retains part of its kinetic energy after it has passed through the interaction zone and it is necessary to collect the residual electrons in a collector placed at the outlet of the interaction zone. Sometimes, the kinetic energy remaining downstream of the interaction zone can reach 50% to 80% of the energy initially communicated to the beam upstream of this zone.
  • the collector consisted of a simple metal electrode, most often made of copper, brought to an appropriate potential (most often that of the anode which served to accelerate the electrons).
  • the collector in order to increase the efficiency of the tubes, it has been necessary to produce more sophisticated collectors, called single or multi-stage depressed collectors, constituted by several successive electrodes brought to different potentials and therefore electrically isolated from each other.
  • the problems are particularly delicate for the production of a multi-stage collector, but it will be understood that they can also exist for insulated electrodes for which it is also necessary to provide on the one hand electrical insulation with respect to the rest of the tube, on the other apart from a voltage or current supply, and finally an evacuation of the heat produced.
  • the object of the present invention is in particular to produce a tube of improved construction in terms of the ratio between the performances obtained and the manufacturing cost.
  • the invention proposes on the one hand an electronic tube having electrodes of original construction and on the other hand a method of manufacturing such a tube.
  • the electronic vacuum tube according to the invention comprises at least one electrode (preferably a collector electrode) which is characterized in that it comprises a block composed mainly of ceramic with high thermal conductivity, this ceramic block being at least superficially electrically conductive (at least in certain areas).
  • the block could be made of electrically conductive ceramic in its mass. In this case, it would be cofritte (or at least brazed) with other blocks of electrically insulating ceramic to ensure electrical insulation between the electrode and other parts of the tube. But preferably, to avoid problems of resistance of the connection between two different ceramic blocks, one insulating, the other conductive, it is preferable to produce the electrode in the form of an electrically insulating ceramic block of which only the surface is made locally electrically conductive.
  • Ceramics are refractory mineral compounds such as metal oxides, metal nitrides, metal carbides, treated by sintering, that is to say by agglomeration under high temperature (and optionally under pressure) of a powder of the compound or a paste of the compound (the paste being a powder mixed with an organic binder, the latter disappearing during the agglomeration operation).
  • Some ceramics are electrically insulating, others are conductive, depending on the nature of the mineral compounds that compose it. In a mixture of insulating compounds and electrically conductive compounds, ceramics can moreover have intermediate conductivities.
  • the electrode is produced in the form of a block of electrically insulating ceramic, with high thermal conductivity, locally covered with a thin layer of electrically conductive ceramic; the electrode is produced by co-sintering of the two ceramics. Consequently, in this case, electrically conductive zones are somehow drawn, in a relatively thin layer (the order of magnitude is for example of the order of 100 micrometers thick), on the surface of a block of insulating ceramic; the electrode (or even a group of several separate electrodes) is formed by the block thus locally made conductive in area.
  • the electrode is therefore produced in this case in the form of a composite ceramic block (with two different compositions, one conductive the other insulating but both made of ceramic) and not in the form of soldering an electrode metallic (copper) on an insulating ceramic (alumina) as could be done in the prior art.
  • the electrically conductive surface part of the ceramic electrode could be made of refractory metal such as tungsten or molybdenum cofritte in a thin layer on an insulating ceramic block.
  • the ceramic and in particular that which composes the insulating block
  • ceramic with high thermal conductivity is meant a ceramic whose coefficient of thermal conductivity is at least 100 watts / m. ° K at 20 ° C, which represents about a quarter of the conductivity of copper, but about three times at least the conductivity of alumina.
  • the electrode thus produced in ceramic can participate directly in the vacuum tightness of the tube if it directly forms part of the wall of the envelope of the tube. However, it can also be co-sintered with another insulating ceramic constituting (partially or totally) the sealed envelope of the tube.
  • the electrodes are ceramic blocks (at least superficially electrically conductive) inserted in an insulating ceramic sheath and co-sintered with this sheath. The sheath then constitutes the vacuum-tight envelope of the tube.
  • a conductive ceramic pin is preferably also used; this pin is in contact on one side with a conductive ceramic part of the electrode, inside the tube; and it passes through an insulating ceramic forming part of the electrode and / or of the envelope of the tube, and co-sintered with this insulating ceramic.
  • the vacuum tightness of these conductive bushings is excellent because on the one hand the bond obtained by high temperature heat treatment is strong and on the other hand the alloyed materials exhibit similar thermomechanical behaviors. This is particularly true when the crossing is made by co-sintering of ceramics.
  • the bushings can, however, also be made of refractory metal cofritte with the ceramic during the sintering of the latter.
  • an electrode in the form of a block of ceramic that is highly conductive of heat it is possible to adopt particularly effective tube arrangements from the point of view of heat dissipation, insulation between electrodes, the compactness of the tube, its weight, arrangements which could not be adopted with conventional metal electrodes or with conventionally brazed ceramic / metal assemblies.
  • the conductive ceramic produced in a solid block or in a thin layer may in particular be made of silicon carbide, or of titanium carbide, or of tungsten carbide, or of titanium nitride, or of a mixture of two or more of these materials. It can also include additions of compounds facilitating sintering, such as for example yttrium oxide, the presence of additions being conventional in the sintering of ceramics.
  • the ceramic used to make an insulating ceramic block forming part of the electrode or the envelope of the tube is preferably essentially based on aluminum nitride, which has very good thermal conduction properties (about 180 watts / m . ° K at 20 ° C) and very good dielectric strength (resistance to electric fields of at least 20 kV / mm). It can be made of almost pure aluminum nitride or a composite ceramic comprising aluminum nitride cofritte with carbide of silicon or titanium nitride in small proportion in the aluminum nitride. Sintering additions may also be present there.
  • the present invention provides not only a new construction tube, but also an original manufacturing process which is particularly suitable for the production of electronic tubes and especially of electron collector tubes or more generally of all systems of 'electrode.
  • This method consists in producing at least one electrode of the tube by co-sintering an electrically conductive ceramic on an electrically insulating ceramic with high thermal conductivity.
  • the conductive ceramic preferably consists of a relatively thin layer deposited on a part of the surface of the insulating ceramic, but it can also be produced in massive form and in the latter case, the conductive ceramic preferably also has a high conductivity. thermal. In both cases, the insulating ceramic serves as a support for the electrically conductive ceramic layer, with very good thermal and mechanical properties of the assembly thus formed, due to the homogeneity of nature (ceramic) of the materials used.
  • a conductive rod (preferably also made of conductive ceramic but which may possibly be made of refractory metal) is introduced into the bore by bringing it into contact on one side with the conductive ceramic.
  • the sintering operation is carried out subsequently. This operation seals the rod in the insulating block it crosses at very high temperature and constitutes a crossing which can be vacuum-tight and very resistant to thermomechanical constraints.
  • the invention is applicable to vacuum tubes (total or partial vacuum).
  • the main application is the application to electronic tubes, that is to say tubes in which the charged particles which are transported are electrons (and in this case the vacuum is generally very high).
  • Another possible application is a device (which will also be designated by the term "tube” for simplicity) in which the particles transported are not electrons but ions.
  • the invention can be applied to the production of acceleration electrodes for an ion propellant; an ion propellant is a motor intended to act to move an object in a vacuum (for a satellite or a spacecraft); when it is operating, it continuously produces a plasma of charged ions which are accelerated under partial vacuum by an electric field (thanks to electrodes) and ejected through a nozzle.
  • the ejection acts like a conventional reaction propellant, with the difference that the ejected material is ionic (charged) and that it is ejected under the effect of an acceleration by an electric field acting directly on the ions due to their charge.
  • the term "tube” includes all the electrode devices using the transport of charged particles in a total vacuum (that is to say very high ) or partial (less pushed), whether the tube is closed or whether it is partially open (as in the case of a thruster).
  • FIG. 3 shows in section a tube collector according to the invention
  • FIG. 8 shows the ceramic sheath for enclosing the different electrodes
  • - Figure 9 shows a partially cut perspective view of the mounted collector.
  • the invention will be described with regard to the production of the collector of a traveling wave electronic tube with a multi-stage depressed collector, but it is applicable in many other cases: other electronic vacuum tubes than a TOP, non-depressed collector at a single electrode, other electrodes than collector electrodes. But it is particularly advantageous in the case of a depressed multi-stage collector and this is why this example was chosen to be described in detail. Similarly, with regard to the manufacturing method according to the invention, which will be described with regard to the same traveling wave tube, it will be understood that it is applicable to the production of a TOP collector as to the production of other tube electrodes, with the overall meaning given above for the word tube.
  • a traveling wave tube (TOP in French abbreviation, TWT in English abbreviation) is a vacuum tube comprising a cathode emitting a linear electron beam (focused by permanent magnets), and, successively from upstream downstream in the direction of travel of the electrons: an anode of acceleration of these electrons; a radiofrequency signal input receiving a radiofrequency signal to be amplified, this input being connected to the input of a deceleration structure which is for example a helix surrounding the electron beam; an output of the deceleration structure, constituting the output of the TOP, providing a radio frequency signal; and a collector for collecting the beam electrons downstream of the deceleration structure.
  • the collector is typically a depressed collector with several stages, that is to say with several electrodes carried by different potentials and isolated from each other by electrically insulating parts.
  • the potentials are chosen so that the electrons with a certain energy if possible reach the electrode which is at a potential corresponding substantially to this energy. In this way a good yield of the tube is obtained, but this requires providing for a connection of several electrodes to the outside of the tube. All of the elements which have just been described are enclosed within a sealed envelope in which a high vacuum is created.
  • the envelope has insulating parts and possibly also conductive parts. Some of the elements described above, electrodes or insulators between electrodes may themselves be part of the sealed envelope and therefore themselves provide a vacuum seal.
  • FIG. 1 represents an exemplary embodiment of a depressed multi-stage collector with internal isolation from the prior art, which will make it possible to better understand the differences made by the invention in the overall construction of the collector.
  • the collector of generally cylindrical shape, comprises in this example three massive copper electrodes E1, E2, E3 having conical shapes whose apex, open for the first two electrodes and closed for the last, is turned towards the arrival side electrons (on the left in Figure 1).
  • the electrodes E1 and E2 also comprise a cylindrical part enclosed by bars (or plates) 10 of insulating ceramic, themselves enclosed in an external metal envelope ENV constituting both an electromagnetic protective cover and a vacuum-tight envelope.
  • the insulating ceramic is generally made of alumina for low powers to dissipate and of beryllium oxide BeO at higher powers.
  • the collector is closed on the right by an assembly of insulating parts and conductive parts brazed with each other, also providing vacuum sealing.
  • Conductive bushings are provided to connect the electrodes E1, E2, E3 to the outside. These crossings include a conductor 12, 13 or 14 surrounded by insulating ceramic 16, 17 or 18. In the example of FIG. 1, the ceramic bars 10 which surround the electrodes E1 and E2 also serve to pass a conductor from the electrode E1 towards the bottom of the collector, up to the conductive crossing 12, by isolating this conductor from the electrode E2 and from the outer envelope ENV.
  • FIG. 2 represents another exemplary embodiment of a TOP collector in which the electrodes are less massive than in FIG. 1: these are coars of revolution in thin copper brazed over their entire cylindrical periphery inside a sheath of ceramic 20; the resistance of this structure to thermal stress is only possible if the thinness of the electrodes makes it possible to accommodate differential expansions without excessive stress.
  • the ceramic sheath is surrounded by another metallic sheath 22 serving as an electromagnetic protective cover. Vacuum sealing is achieved both by metal parts and by insulating ceramic parts.
  • conductive bushings 24 can be provided radially through the insulating sleeves for the connection of the electrode E1 with the exterior of the vacuum tube.
  • a metallic conductor such as nickel brazed on the internal electrode E1 is used. Vacuum tightness is ensured by brazing on the ceramic sleeve.
  • the electrode itself was brought out by the bottom of the tube to the outside, and this electrode E2 therefore participates itself directly in sealing the vacuum.
  • a complex assembly of metal, insulating ceramic and conductive bushing must be provided to ensure the connection with the outside via the bottom of the tube.
  • FIG. 3 represents the general principle of tube construction according to the invention with a collector, the particularity of which is that at least some of the electrodes (but preferably all) are made mainly of ceramic: they each consist of a ceramic block (similar to the copper blocks in Figure 1); this ceramic is at least superficially conductive (to perform the function of electrode collecting electrons); this ceramic has very good thermal conduction properties to dissipate the heat generated by the impacts of electrons.
  • each electrode consists of a thin layer of conductive ceramic sintered on the surface of an insulating ceramic. In this case, it is the electrically insulating ceramic which must have very good thermal conduction properties.
  • the preferred construction of the collector is as follows: the ceramic blocks constituting the different electrodes are placed in contact with the inner periphery of an insulating ceramic sheath.
  • Conductive crossings are preferably provided in this sheath to ensure the electrical connection between the outside of the tube and the conductive part of at least some of the ceramic electrodes.
  • the electrodes, the insulating sheath and the conductive bushings are preferably made integral in a single heat treatment operation (co-sintering) or else of several successive heat treatments which ensure a strong bond and therefore a seal inside the vacuum tube.
  • FIG. 3 shows a collector with four electrodes which are respectively, following the direction of movement of the electrons, a first electrode 30, a second electrode 40, a third electrode 50, and a final electrode 60.
  • the first three electrodes are pierced axially in their center to allow the electron beam to pass, with apertures (respectively 31, 41, 51) becoming wider to take account of the increasingly greater divergence of the beam downstream.
  • the final electrode 60 is not pierced.
  • the electrodes are made of electrically conductive ceramic in certain areas, on the surface, and electrically insulating in the mass.
  • the ceramic can be conductive over its entire surface or only in areas drawn in a pattern which of course depends on the general design of the tube, the rest of the electrode being constituted by an insulating ceramic block.
  • the four electrodes are preferably mounted in a cylindrical sheath 70 of electrically insulating and highly insulating ceramic conductive of heat.
  • This cylindrical sheath 70 constitutes the outer envelope of the tube and it is preferably provided with radial fins 80 facilitating the evacuation of the heat generated in operation from inside the tube.
  • This sheath 70 can, like the electrodes 30, 40, 50, 60, have a locally conductive surface, both inside and outside the tube. In practice, it will be seen that the sheath can constitute an electrode with the same potential (its internal surface only) as the electrode 50.
  • the bottom of the tube on the right of FIG. 3, can be constituted completely by the mass of the final electrode 60, especially if the latter is conductive only in its surface part inside the tube.
  • each electrode has not been detailed. However, to illustrate the principle of the invention, there is shown by a dashed line 90, along the inner wall of the sheath 70 and along a part of the electrode 50, a surface area which is conductive.
  • the electrical connection of the different electrodes with the outside, to ensure the passage of currents or bias voltages, is carried out as follows: for the electrode 30, a radial conductive crossing is provided through the insulating cylindrical sheath 70.
  • the bushing comprises a conductive rod 32 which passes through a bore in the electrode 30 and a corresponding bore in the sheath 70.
  • the conductive rod 32 is preferably made of conductive ceramic, but it could also be made of refractory conductive metal such as tungsten. It comes into contact, inside the tube with a conductive area of the first electrode 30.
  • the assembly is entirely similar, with a radial conductive bushing comprising a conductive rod 42.
  • the inner surface of the sheath 70 is made conductive in the same way as the conductive surface of the electrodes, that is to say that is to say preferably by co-sintering of a conductive ceramic on an insulating ceramic.
  • the conductive area is represented by the dashed line 90 already mentioned. Conductive electrical continuity can thus be established from the electrode 50 to the outside of the tube, as shown in the line dashed line 90 which starts from the electrode 50 and which goes beyond the electrode 60.
  • the conductive part external to the tube can then constitute an external connection of the third electrode 50. For this reason, it can be considered that the sheath itself constitutes an electrode, at the same potential as the electrode 50.
  • connection of the final electrode 60 with the outside can also be done by the bottom of the tube, either by direct contact with the ceramic if its external face is conductive and in electrical conduction contact with its internal face to the tube or if it is entirely made of conductive ceramic, either by a conductive passage, with a rod 62, from the inside face of the electrode to the outside of the tube if only the ceramic surface inside the tube is conductive.
  • the bushing passes in this case through the insulating ceramic block constituting the electrode 60 and not through the sheath 70. It extends axially and not radially.
  • the whole of the collector is then formed of ceramics, certain parts being of electrically insulating ceramic but of very good thermal conductivity, and other parts being of electrically conductive ceramic and connected to conductive rods passing through the insulating ceramic.
  • a collector block is therefore obtained, the parts of which have homogeneous thermomechanical properties.
  • the entire collector by co-sintering the ceramics, that is to say by mounting the electrodes and the sheath in place relative to each other while these parts are still in the state of raw ceramics. , and by performing the sintering for all the ceramics at the same time.
  • FIG. 4 represents the first electrode 30 in isolation.
  • the electrode is superficially conductive over almost its entire surface, but not at its periphery. It will also be in contact at its periphery with the sheath 70.
  • the electrode is produced by machining a raw paste of insulating ceramic.
  • the machined electrode is coated with a thin layer of raw conductive ceramic 35 represented by a dashed line.
  • the delimitation of the conductive zone can be done either by masking the zones which must remain insulating, or by selective removal after uniform deposition on all surfaces.
  • the electrode 30 can be sintered prior to its insertion into the sheath 70, or else inserted first into the sheath 70 and then co-sintered with the sheath.
  • the conductive bushing enabling the electrode to be connected to the sheath is produced by providing a radial bore 36 into which the conductive rod 32 visible in FIG. 3 can be inserted; this rod will preferably be placed in the bore before common sintering of the electrode and of the sheath. It is in contact on one side with the layer of conductive ceramic 35. The sintering ensures the adhesion of the surface conductive ceramic 35 with the insulating ceramic which forms the body of the electrode 30.
  • FIG. 5 represents the second electrode 40 taken in isolation. It is constituted in principle in the same way as the first, namely by sintering a body of green electrically insulating ceramic having the shape of the desired electrode, partially coated with a thin layer of green conductive ceramic 45. A drilling 46 is used to allow a rod 42 to pass to establish the conductive bushing.
  • FIG. 6 shows the third electrode 50 taken in isolation, constituted like the others with a local surface layer 55 of conductive ceramic, but no drilling in the case where no conductive passage is provided for its connection to the outside.
  • FIG. 7 represents the fourth electrode 60 with its layer of local surface conductive ceramic 65, and its bore 66 for a conductive passage.
  • FIG. 8 represents the cylindrical sheath 70 taken in isolation, with its radial fins 80.
  • the conductive rods in this case not only pass through the thickness of the blocks of insulating ceramic which constitute the electrodes 30 and 40, but also the thickness of the sheath 70.
  • There are no fins at the location of the holes 72 and 73 so that the conductive rods which will be placed in the holes are accessible.
  • the holes 72, 73, 36 and 46 serve at the same time to ensure the correct positioning of the ceramic electrodes in the sheath 70.
  • the various constituent elements of the collector can be produced with the help of conventional ceramic techniques.
  • the sheath 70 with its fins 80 is preferably produced, because it is cylindrical, by extrusion of a raw ceramic paste.
  • the fins can have a grooved surface (grooves also made during extrusion) to improve heat dissipation.
  • the shaping of the sheath can be completed by other machining and drilling operations of the raw ceramic paste.
  • the electrodes are preferably produced by extrusion then machining of these blocks to give them the desired shape (conical with an opening at the top and recesses facilitating their positioning in the sheath).
  • the blocks of raw electrically insulating ceramic are coated with a slip of raw electrically conductive ceramic. Alternatively, they could be coated with a conductive ink based on refractory metal (in particular tungsten).
  • electrodes have been shown, the conductive parts of which are symmetrical in revolution.
  • any pattern of conductive area can be provided without particular difficulty, while the machining of metal blocks in non-symmetrical shapes posed many more problems in the prior art.
  • This arrangement makes it possible to limit the electrons reflected by creating an asymmetry of the electric field applied by the electrode thus formed while retaining an axisymmetric electrode which is simple to manufacture.
  • the blocks of raw composite ceramic coated with an electrically conductive layer are inserted into the sheath, the rods of the conductive bushings are put in place, a conductive paste (ceramic or tungsten conductive ink) can be deposited, for example with a brush, on the ends of these rods to facilitate the electrical connection between these rods and the conductive surfaces of the electrodes.
  • a conductive tungsten ink or a conductive ceramic paste can be deposited inside the sheath, with a brush and / or by dipping and / or by spraying or spraying, to produce the conductive surface represented by line 90 of Figure 3.
  • a conductive film can also be deposited on the outside of the sleeve (without establishing an electrical connection with the surfaces inside the tube), to ensure the electromagnetic shielding of the collector.
  • the last electrode 60 which forms the bottom of the tube, is put in place, with its conductive rod 62, after these operations. All of the electrodes, the sheath, and the conductive rods are cofritte to result in the desired collector structure.
  • Figure 9 shows, in partially open view, the manifold block thus produced.
  • all of the electrodes and the sheath are made of at least superficially conductive ceramic.
  • the preferred ceramic for all the insulating parts is preferably based on aluminum nitride AIN (up to 100%).
  • the thermal conductivity of aluminum nitride is approximately 180 watts / m. ° K.
  • Aluminum nitride can be mixed in small proportions with silicon carbide SiC or titanium nitride TiN. Small sintering additions (less than 10%) can be included in the raw ceramic paste to facilitate sintering or co-sintering with other ceramics.
  • the ceramic is preferably made of titanium nitride TiN, but may also be made of titanium carbide TiC, tungsten carbide WC, silicon carbide SiC. These materials can be mixed with aluminum nitride.
  • the metal is preferably tungsten or molybdenum.
  • sintering additions are advantageously provided, in particular to facilitate co-sintering with aluminum nitride.
  • the granulometry of the powders used to make the ceramics makes it possible to play on the texture of the conductive surface of the electrode, a granulometry controlled on the order of the micrometer (0.5 to 2 micrometers) resulting in the formation of superficial microcavities tending to limit the secondary emission of electrons when the electrode is bombarded by electrons.
  • the conductive rods constituting the crossings in the insulating ceramics may be made of titanium nitride, titanium carbide, or silicon carbide, or a mixture of these materials.
  • sintering additions can be provided.
  • the rods can also be made of tungsten or molybdenum.
  • the sintering additions can typically be yttrium oxide Y203, calcium oxide CaO, yttrium fluoride YF3, calcium fluoride CaF2.
  • Aluminum nitride (insulator) and titanium nitride (conductor) have similar characteristics, in particular in terms of densification kinetics during co-sintering, resulting in a strong inorganic bond, of iono-covalent type.
  • the electrode assemblies thus produced can withstand very high operating temperatures without causing degassing phenomena as on metallic electrodes of the prior art.
  • the invention can facilitate the cooling of the tube by fluid (and in particular a liquid such as an electrical insulating oil or deionized water) if the channels made in the sheath are mixed during the extrusion of the sheath.
  • fluid and in particular a liquid such as an electrical insulating oil or deionized water
  • the fluid had to have sufficient dielectric strength to accommodate the external faces of the electrodes and the external envelope subjected to different voltages between them.
  • the structure of the external ceramic envelope can advantageously be traversed in the longitudinal direction by capillaries in which a cooling fluid can be circulated.
  • a cooling fluid can be circulated.
  • this arrangement makes it possible to use a standard fluid such as water since the fluid is no longer directly in contact with the electrodes.
  • the fluid is in direct contact with the envelope over the entire length thereof.
  • This new arrangement also makes it possible to avoid the appearance of galvanic torque,. Of chemical corrosion.
  • Aluminum nitride being particularly chemically inert.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microwave Tubes (AREA)

Abstract

L'invention concerne les tubes à vide, et notamment les tubes électroniques. Pour réaliser le tube, et notamment un collecteur d'électrons à plusieurs électrodes (30, 40, 50, 60), on réalise les électrodes sous forme de blocs de céramique à forte conductivité thermique. Les blocs sont superficiellement (au moins) conducteurs de l'électricité. Ils sont de préférence en céramique isolante telle que du nitrure d'aluminium, et sont rendus conducteurs sur une partie de leur surface. La partie superficielle conductrice est de préférence constituée par une céramique conductrice, de préférence à base de nitrure de titane, ou de matériaux céramiques conducteurs similaires. On gagne ainsi en solidité, en capacité d'évacuation de chaleur, et en poids.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'ELECTRODES ET TUBE A VIDE UTILISANT CE PROCEDE
L'invention concerne un procédé de fabrication d'électrodes, conçu principalement pour la réalisation de tubes électroniques à vide, et notamment de tubes utilisant un collecteur d'électrons ; le collecteur recueille les électrons après utilisation d'une fraction de l'énergie qui leur a été communiquée par un champ électrique d'accélération créé dans le tube à vide. Ce procédé de fabrication est utilisable pour la réalisation d'autres électrodes que des collecteurs de tubes électroniques. Plus généralement il est applicable à la réalisation d'électrodes de toutes sortes de dispositifs à vide total ou partiel faisant intervenir dans ce vide un transport physique de particules élémentaires chargées (électrons mais aussi ions) qui peuvent être accélérées, ou ralenties ou collectées par des électrodes du dispositif. Le procédé sera cependant décrit à propos de l'application la plus intéressante qui est la réalisation du collecteur d'un tube électronique à vide à faisceau linéaire.
On citera à titre d'exemple de tubes à faisceau linéaire : les lystrons mono ou multifaisceaux, les tubes à ondes progressives, les carcinotrons, les tubes à sortie inductive (IOT pour Inductive Output Tube). Ces tubes fonctionnent généralement en faisant interagir, dans une zone dite zone d'interaction, une onde électromagnétique et un faisceau linéaire d'électrons, le faisceau communiquant une partie de son énergie cinétique à l'onde électromagnétique pour amplifier celle-ci. Généralement, le faisceau conserve encore une partie de son énergie cinétique après son passage dans la zone d'interaction et il faut recueillir les électrons résiduels dans un collecteur placé à la sortie de la zone d'interaction. Parfois, l'énergie cinétique subsistante en aval de la zone d'interaction peut atteindre 50% à 80% de l'énergie initialement communiquée au faisceau en amont de cette zone. Il en découle de fortes contraintes pour la réalisation du collecteur, en termes de dissipation de chaleur ; il en découle de fortes contraintes pour la réalisation du collecteur, en termes de dissipation de chaleur ; il y a par ailleurs d'autres contraintes, telles que la tenue en tension, etc. Dans le passé, le collecteur était constitué par une simple électrode métallique, le plus souvent en cuivre, portée à un potentiel approprié (le plus souvent celui de l'anode qui a servi à accélérer les électrons). Mais pour augmenter le rendement des tubes on a été amené à réaliser des collecteurs plus sophistiqués, appelés collecteurs déprimés mono ou multiétages, constitués par plusieurs électrodes successives portées à des potentiels différents et donc isolées électriquement les unes des autres.
La réalisation de ces électrodes de collecteur pose différents problèmes, d'autant plus difficiles à résoudre que les tubes doivent être à la fois de plus en plus puissants et de plus en plus compacts. Parmi ces problèmes, il y a le problème de l'évacuation de la chaleur produite par l'impact des électrons sur une électrode ainsi que le problème de ré-émission électronique secondaire des électrodes ; il y a le problème de l'isolation électrique des électrodes entre elles et vis à vis de l'extérieur ; il y a le problème de l'étanchéité au vide du tube, avec le problème conjoint de la traversée de connexions électriques de l'intérieur vers l'extérieur du tube pour amener un courant ou une tension d'une électrode intérieure vers l'extérieur du tube ou de l'extérieur vers une électrode intérieure du tube, et ceci pour chacune des électrodes du collecteur, de même d'ailleurs que pour les autres électrodes du tube (anode, cathode).
Les solutions adoptées pour la réalisation de ces collecteurs déprimés utilisent le plus souvent des électrodes en cuivre brasées ou frettées sur des pièces en céramique isolante ; la céramique assure l'isolation électrique entre électrodes portées à des potentiels différents et dans le cas d'un collecteur à isolement électrique interne, celle ci doit assurer également le transfert du flux thermique. Le brasage assure la tenue mécanique et l'étanchéité au vide. Ces assemblages sont complexes et d'un coût élevé. Leur structure hétérogène constituée de céramiques et de métal les rend particulièrement sensibles aux contraintes thermomécaniques et vibrations. Leurs performances limitées notamment en ce qui concerne l'efficacité de la dissipation thermique, les tensions de fonctionnement admissibles, la compacité, parfois aussi le poids (pour des applications de tubes spatiaux par exemple). Les problèmes sont particulièrement délicats pour la réalisation d'un collecteur multiétages, mais on comprendra qu'ils peuvent exister aussi pour des électrodes isolées pour lesquelles il faut aussi prévoir d'une part une isolation électrique par rapport au reste du tube, d'autre part une alimentation en tension ou en courant, et enfin une évacuation de la chaleur produite.
La présente invention a notamment pour but de réaliser un tube de construction améliorée en termes de rapport entre les performances obtenues et le coût de fabrication. Pour cela l'invention propose d'une part un tube électronique ayant des électrodes de construction originale et d'autre part un procédé de fabrication d'un tel tube.
Le tube électronique à vide selon l'invention comporte au moins une électrode (de préférence une électrode de collecteur) qui est caractérisée en ce qu'elle comprend un bloc composé principalement de céramique à forte conductivité thermique, ce bloc de céramique étant au moins superficiellement électriquement conducteur (au moins dans certaines zones).
Le bloc pourrait être en céramique électriquement conductrice dans sa masse. Dans ce cas, il serait cofritte (ou à la rigueur brasé) avec d'autres blocs de céramique électriquement isolante pour assurer l'isolation électrique entre l'électrode et d'autres parties du tube. Mais de préférence, pour éviter des problèmes de tenue de la liaison entre deux blocs de céramiques différentes, l'une isolante, l'autre conductrice, on préférera réaliser l'électrode sous forme d'un bloc de céramique électriquement isolante dont seule la surface est rendue localement électriquement conductrice.
La particularité de ces électrodes du tube à vide selon l'invention est donc qu'elles sont réalisées sous forme de blocs de céramique et non de blocs métalliques.
Les céramiques sont des composés minéraux réfractaires tels que des oxydes métalliques, des nitrures métalliques, des carbures métalliques, traités par frittage, c'est-à-dire par agglomération sous forte température (et éventuellement sous pression) d'une poudre du composé ou d'une pâte du composé (la pâte étant une poudre mélangée à un liant organique, ce dernier disparaissant lors de l'opération d'agglomération). Certaines céramiques sont électriquement isolantes, d'autres sont conductrices, selon la nature des composés minéraux qui la composent. En mélange de composés isolants et de composés électriquement conducteurs, les céramiques peuvent d'ailleurs avoir des conductivités intermédiaires.
Dans une réalisation avantageuse, l'électrode est réalisée sous forme d'un bloc de céramique électriquement isolante, à forte conductivité thermique, recouvert localement d'une couche mince de céramique électriquement conductrice ; l'électrode est réalisée par cofrittage des deux céramiques. Par conséquent, dans ce cas, des zones électriquement conductrices sont en quelque sorte dessinées, en couche relativement mince (l'ordre de grandeur est par exemple de l'ordre de 100 micromètres d'épaisseur), sur la surface d'un bloc de céramique isolante ; l'électrode (voire même un groupe de plusieurs électrodes séparées) est constituée par le bloc ainsi rendu localement conducteur en superficie.
L'électrode est donc réalisée dans ce cas sous forme d'un bloc de céramique composite (avec deux compositions différentes, l'une conductrice l'autre isolante mais toutes deux en céramique) et non sous forme d'un brasage d'une électrode métallique (cuivre) sur une céramique isolante (alumine) comme on pouvait le faire dans l'art antérieur.
La partie superficielle électriquement conductrice de l'électrode de céramique, pourrait être en métal réfractaire tel que du tungstène ou du molybdène cofritte en couche mince sur un bloc de céramique isolante.
Le montage est d'autant plus avantageux que la céramique (et notamment celle qui compose le bloc isolant) a une forte conductivité thermique. Par céramique à forte conductivité thermique, on entend une céramique dont le coefficient de conductivité thermique est d'au moins 100 watts/m. °K à 20°C, ce qui représente environ un quart de la conductivité du cuivre, mais environ trois fois au moins la conductivité de l'alumine. L'électrode ainsi réalisée en céramique peut participer directement à l'étanchéité au vide du tube si elle constitue directement une partie de la paroi de l'enveloppe du tube. Mais elle peut également être cofrittée avec une autre céramique isolante constituant (partiellement ou totalement) l'enveloppe étanche du tube. Par exemple, les électrodes sont des blocs de céramique (au moins superficiellement électriquement conducteurs) insérés dans un fourreau de céramique isolante et cofrittés avec ce fourreau. Le fourreau constitue alors l'enveloppe, étanche au vide, du tube.
Pour réaliser la connexion de l'électrode vers l'extérieur du tube, on utilisera de préférence aussi une broche en céramique conductrice ; cette broche est en contact d'un côté avec une partie de céramique conductrice de l'électrode, à l'intérieur du tube ; et elle traverse une céramique isolante faisant partie de l'électrode et/ou de l'enveloppe du tube, et cofrittée avec cette céramique isolante.
L'étanchéité au vide de ces traversées conductrices est excellente car d'une part la liaison obtenue par traitement thermique à haute température est forte et d'autre part les matériaux alliés présentent des comportements thermomécaniques voisins. Ceci est particulièrement vrai lorsque la traversée est faite par cofrittage de céramiques. Les traversées peuvent cependant aussi être réalisées en métal réfractaire cofritte avec la céramique pendant le frittage de celle-ci.
Grâce à cette réalisation d'électrode sous forme d'un bloc de céramique fortement conductrice de la chaleur, on peut adopter des dispositions de tubes particulièrement efficaces du point de vue de l'évacuation de la chaleur, de l'isolation entre électrodes, de la compacité du tube, de son poids, dispositions qu'on ne pourrait pas adopter avec des électrodes métalliques classiques ou avec des assemblages céramique/métal classiquement brasés.
La céramique conductrice réalisée en bloc massif ou en couche mince peut notamment être en carbure de silicium, ou en carbure de titane, ou en carbure de tungstène, ou en nitrure de titane, ou en mélange de deux ou plus de ces matériaux. Elle peut comprendre aussi des ajouts de composés facilitant le frittage, tel que par exemple l'oxyde d'yttrium, la présence d'ajouts étant classique en matière de frittage de céramiques.
La céramique utilisée pour réaliser un bloc de céramique isolante faisant partie de l'électrode ou de l'enveloppe du tube est de préférence essentiellement à base de nitrure d'aluminium, qui a de très bonnes propriétés de conduction thermique (environ 180 watts/m. °K à 20°C) et une très bonne tenue diélectrique (tenue à des champs électriques d'au moins 20 kV/mm). Elle peut être en nitrure d'aluminium presque pur ou en céramique composite comprenant du nitrure d'aluminium cofritte avec du carbure de silicium ou du nitrure de titane en faible proportion dans le nitrure d'alumium. Des ajouts de frittage peuvent là aussi être présents.
Comme indiqué plus haut, la présente invention propose non seulement un tube de construction nouvelle, mais également un procédé original de fabrication qui est particulièrement adapté à la réalisation de tubes électroniques et surtout de tubes à collecteur d'électrons ou plus généralement de tous systèmes d'électrode. Ce procédé consiste à réaliser au moins une électrode du tube en cofrittant une céramique électriquement conductrice sur une céramique électriquement isolante à forte conductivité thermique. La céramique conductrice est de préférence constituée d'une couche relativement mince déposée sur une partie de la surface de la céramique isolante, mais elle peut aussi être réalisée sous forme massive et dans ce dernier cas, la céramique conductrice a de préférence également une forte conductivité thermique. Dans les deux cas, la céramique isolante sert de support à la couche de céramique électriquement conductrice, avec de très bonnes propriétés thermiques et mécaniques de l'ensemble ainsi constitué, en raison de l'homogénéité de nature (céramique) des matériaux utilisés.
Dans le cas où on veut réaliser une traversée conductrice partant de la céramique conductrice et traversant une épaisseur de la céramique isolante (que cette dernière fasse ou non partie d'une enveloppe d'un tube électronique), on perce le bloc de céramique isolante avant l'opération de cofrittage, on introduit une tige conductrice (de préférence aussi en céramique conductrice mais pouvant éventuellement être en métal réfractaire) dans le perçage en la mettant en contact d'un côté avec la céramique conductrice. On effectue ultérieurement l'opération de frittage. Cette opération scelle à très haute température la tige dans le bloc isolant qu'elle traverse et constitue une traversée qui peut être étanche au vide et très résistante aux contraintes thermomécaniques. L'invention est applicable aux tubes à vide (vide total ou partiel).
L'application principale est l'application aux tubes électroniques, c'est-à-dire des tubes dans lesquels les particules chargées qui sont transportées sont des électrons (et dans ce cas le vide est en général très poussé). Une autre application possible est un dispositif (qu'on désignera aussi par le vocable « tube » pour simplifier ) dans lequel les particules transportées ne sont pas des électrons mais des ions. Par exemple, on peut appliquer l'invention à la réalisation d'électrodes d'accélération d'un propulseur ionique ; un propulseur ionique est un moteur destiné à agir pour déplacer un objet dans le vide (pour un satellite ou un vaisseau spatial) ; il produit en continu, lorsqu'il fonctionne, un plasma d'ions chargés qui sont accélérés sous vide partiel par un champ électrique (grâce à des électrodes) et éjectés à travers une tuyère. L'éjection agit comme un propulseur à réaction classique, à la différence que la matière éjectée est ionique (chargée) et qu'elle est éjectée sous l'effet d'une accélération par un champ électrique agissant directement sur les ions du fait de leur charge. Dans cette demande de brevet, et notamment dans les revendications, on considérera qu'on englobe sous l'appellation « tube » tous les dispositifs à électrodes utilisant le transport de particules chargées dans un vide total (c'est-à-dire très poussé) ou partiel (moins poussé), que le tube soit fermé ou qu'il soit partiellement ouvert (comme dans le cas d'un propulseur).
On notera qu'il est suggéré dans le brevet US 4,277,721 , de réaliser des électrodes dont les surfaces ont des caractéristiques qui minimisent l'émission secondaire grâce à des revêtements en matériaux tels que le graphite pyrolytique, le carbure de titane, le carbure de tungstène, le diborure de titane. La conductivité thermique de ces matériaux n'est pas mentionnée, et ils sont en principe déposés sur des électrodes qui classiquement sont en cuivre.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- les figures 1 et 2 représentent des constructions de collecteur de tubes à vide de l'art antérieur ;
- la figure 3 représente en coupe un collecteur de tube selon l'invention ;
- les figures 4 à 7 représentent les différentes électrodes de céramique séparées ;
- la figure 8 représente le fourreau de céramique destiné à enfermer les différentes électrodes ; - la figure 9 représente en perspective partiellement coupée le collecteur monté.
L'invention sera décrite à propos de la réalisation du collecteur d'un tube électronique à ondes progressives à collecteur déprimé multiétage, mais elle est applicable dans bien d'autres cas : autres tubes électroniques à vide qu'un TOP, collecteur non déprimé à une seule électrode, autres électrodes que des électrodes de collecteur. Mais elle est particulièrement intéressante dans le cas d'un collecteur déprimé multi-étage et c'est pourquoi cet exemple a été choisi pour être décrit en détail. De même, pour ce qui concerne le procédé de fabrication selon l'invention, qui sera décrit à propos du même tube à ondes progressives, on comprendra qu'il est applicable à la réalisation d'un collecteur de TOP comme à la réalisation d'autres électrodes de tubes, avec la signification globale donnée ci-dessus pour le mot tube. On rappelle qu'un tube à ondes progressives (TOP en abbréviation française, TWT en abbréviation anglaise) est un tube à vide comportant une cathode émettant un faisceau d'électrons linéaire (focalisé par des aimants permanents), et, successivement de l'amont vers l'aval dans le sens de parcours des électrons : une anode d'accélération de ces électrons ; une entrée de signal radiofréquence recevant un signal radiofréquence à amplifier, cette entrée étant reliée à l'entrée d'une structure de ralentissement qui est par exemple une hélice entourant le faisceau d'électrons ; une sortie de la structure de ralentissement, constituant la sortie du TOP, fournissant un signal radiofréquence ; et un collecteur pour recueillir les électrons du faisceau en aval de la structure de ralentissement. Ces électrons ont perdu une partie de leur énergie en la communiquant à l'onde radiofréquence, dans la zone d'interaction située entre la partie amont et la partie aval de l'hélice. Le collecteur qui reçoit les électrons est soumis à un echauffement intense dû à l'énergie d'impact des électrons et cet echauffement est l'une des principales causes de difficultés pour la réalisation du tube.
Le collecteur est typiquement un collecteur déprimé à plusieurs étages, c'est-à-dire à plusieurs électrodes portées des potentiels différents et isolées les unes des autres par des parties électriquement isolantes. Les potentiels sont choisis de sorte que les électrons ayant une certaine énergie atteignent si possible l'électrode qui est à un potentiel correspondant sensiblement à cette énergie. De cette manière on obtient un bon rendement du tube, mais cela oblige à prévoir une connexion de plusieurs électrodes vers l'extérieur du tube. L'ensemble des éléments qui viennent d'être décrits est enfermé à l'intérieur d'une enveloppe étanche dans laquelle est fait un vide poussé. L'enveloppe comporte des parties isolantes et éventuellement aussi des parties conductrices. Certains des éléments décrits ci-dessus, électrodes ou isolants entre électrodes peuvent eux-mêmes faire partie de l'enveloppe étanche et assurent donc eux-mêmes une étanchéité au vide. Les soudures ou brasures entre éléments, par exemple entre une électrode métallique et une céramique isolante, participent également à cette étanchéité. Enfin lorsqu'une électrode est située complètement à l'intérieur de l'enveloppe (c'est-à-dire qu'elle ne constitue pas une partie de l'enveloppe extérieure et elle n'est donc pas accessible directement de l'extérieur), il est en général nécessaire, pour la connecter à l'extérieur, de prévoir une traversée conductrice, à travers une partie isolante de l'enveloppe, pour relier l'enveloppe à une broche extérieure.
La figure 1 représente un exemple de réalisation d'un collecteur déprimé multietages à isolement interne de l'art antérieur, ce qui permettra de mieux faire comprendre les différences apportées par l'invention dans la construction globale du collecteur.
Le collecteur, de forme généralement cylindrique, comprend dans cet exemple trois électrodes massives en cuivre E1 , E2, E3 ayant des formes coniques dont le sommet, ouvert pour les deux premières électrodes et fermé pour la dernière, est tourné vers le côté d'arrivée des électrons (à gauche sur la figure 1). Les électrodes E1 et E2 comportent également une partie cylindrique enserrée par des barreaux (ou des plaquettes) 10 de céramique isolante, elles-mêmes enfermées dans une enveloppe métallique extérieure ENV constituant à la fois un capot de protection électromagnétique et une enveloppe étanche au vide. La céramique isolante est en général en alumine pour de faibles puissances à dissiper et en oxyde de béryllium BeO aux puissances plus élevées. Le collecteur est fermé à droite par un assemblage de parties isolantes et de parties conductrices brasées les unes avec les autres, réalisant également l'étanchéité au vide. Des traversées conductrices sont prévues pour connecter les électrodes E1 , E2, E3 à l'extérieur. Ces traversées comprennent un conducteur 12, 13 ou 14 entouré de céramique isolante 16, 17 ou 18. Dans l'exemple de la figure 1 , les barreaux de céramique 10 qui entourent les électrodes E1 et E2 servent aussi à faire passer un conducteur de l'électrode E1 vers le fond du collecteur, jusqu'à la traversée conductrice 12, en isolant ce conducteur de l'électrode E2 et de l'enveloppe extérieure ENV.
La figure 2 représente un autre exemple de réalisation de collecteur de TOP dans lequel les électrodes sont moins massives que sur la figure 1 : ce sont des coprs de révolution en cuivre mince brasés sur toute leur périphérie cylindrique à l'intérieur d'un fourreau de céramique 20 ; la tenue de cette structure aux contraintes thermiques n'est possible que si la minceur des électrodes permet d'accomoder les dilatations différentielles sans contrainte excessive. Le fourreau de céramique est là encore entouré d'un autre fourreau métallique 22 servant de capot de protection électromagnétique. L'étanchéité au vide est réalisée à la fois par des parties métalliques et par des parties de céramique isolante. Sur la figure 2, on voit que des traversées conductrices 24 peuvent être prévues radialement à travers les fourreaux isolants pour la connexion de l'électrode E1 avec l'extérieur du tube à vide. On utilise un conducteur métallique tel que du nickel brasé sur l'électrode interne E1. L'étanchéité au vide est assurée par brasage sur le fourreau céramique. Pour la connexion avec l'électrode E2, on a fait sortir l'électrode elle-même par le fond du tube jusqu'à l'extérieur, et cette électrode E2 participe donc elle-même directement à l'étanchéité au vide. Pour l'électrode E3, un assemblage complexe de métal, de céramique isolante et de traversée conductrice doit être prévu pour assurer la liaison avec l'extérieur par le fond du tube.
Dans tous les cas, on voit sur ces figures la complexité de l'assemblage qui permet de tenir les contraintes mécaniques, les contraintes électriques et les contraintes thermiques.
La figure 3 représente le principe général de construction de tube selon l'invention avec un collecteur dont la particularité est que certaines au moins des électrodes (mais de préférence toutes) sont réalisées principalement en céramique : elles sont constituées chacune d'un bloc de céramique (semblables aux blocs de cuivre de la figure 1) ; cette céramique est au moins superficiellement conductrice (pour réaliser la fonction d'électrode recueillant des électrons) ; cette céramique a de très bonnes propriétés de conduction thermique pour évacuer la chaleur engendrée par les impacts d'électrons. De préférence, chaque électrode est constituée d'une couche mince de céramique conductrice frittée à la surface d'une céramique isolante. Dans ce cas, c'est la céramique électriquement isolante qui doit avoir de très bonnes propriétés de conduction thermique.
La construction préférée du collecteur est la suivante : les blocs de céramique constituant les différentes électrodes sont placés en contact avec la périphérie intérieure d'un fourreau de céramique isolante.
Des traversées conductrices sont de préférence prévues dans ce fourreau pour assurer la liaison électrique entre l'extérieur du tube et la partie conductrice de certaines au moins des électrodes en céramique. Les électrodes, le fourreau isolant et les traversées conductrices sont de préférence rendues solidaires en une seule opération de traitement thermique (cofrittage) ou bien alors de plusieurs traitements thermiques successifs qui assurent une forte liaison et donc une étanchéité de l'intérieur du tube a vide. Sur la figure 3, on a représenté un collecteur à quatre électrodes qui sont respectivement, en suivant le sens de déplacement des électrons, une première électrode 30, une deuxième électrode 40, une troisième électrode 50, et une électrode finale 60. Les trois premières électrodes sont percées axiaiement en leur centre pour laisser passer le faisceau électronique, avec des ouvertures (respectivement 31 , 41 , 51) de plus en plus larges pour tenir compte de la divergence de plus en plus grande du faisceau vers l'aval. L'électrode finale 60 n'est pas percée.
Les électrodes sont réalisées en céramique électriquement conductrice dans certaines zones, en superficie, et électriquement isolante dans la masse. La céramique peut être conductrice sur toute sa surface ou seulement dans des zones dessinées selon un motif qui dépend bien sûr de la conception générale du tube, le reste de l'électrode étant constitué par un bloc de céramique isolant.
Les quatre électrodes sont de préférence montées dans un fourreau cylindrique 70 en céramique électriquement isolante et fortement conductrice de la chaleur. Ce fourreau cylindrique 70 constitue l'enveloppe extérieure du tube et il est de préférence muni d'ailettes radiales 80 facilitant l'évacuation de la chaleur générée en fonctionnement depuis l'intérieur du tube. Ce fourreau 70 peut, comme les électrodes 30, 40, 50, 60, avoir une surface localement conductrice, aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur du tube. En pratique on verra que le fourreau peut constituer une électrode au même potentiel (sa surface interne uniquement) que l'électrode 50.
Le fond du tube, sur la droite de la figure 3, peut être constitué complètement par la masse de l'électrode finale 60, surtout si celle-ci n'est conductrice que dans sa partie superficielle intérieure au tube.
Sur la figure 3, on n 'a pas détaillé les zones conductrices de chaque électrode. Toutefois, pour illustrer le principe de l'invention, on a représenté par un trait tireté 90, le long de la paroi intérieure du fourreau 70 et le long d'une partie de l'électrode 50, une zone superficielle qui est conductrice.
La connexion électrique des différentes électrodes avec l'extérieur, pour assurer le passage de courants ou de tensions de polarisations, est réalisée de la manière suivante : pour l'électrode 30, une traversée conductrice radiale est prévue à travers le fourreau cylindrique isolant 70. La traversée comprend une tige conductrice 32 qui passe à travers un perçage dans l'électrode 30 et un perçage correspondant dans le fourreau 70. La tige conductrice 32 est de préférence en céramique conductrice, mais elle pourrait aussi être en métal conducteur réfractaire tel que du tungstène. Elle vient en contact, à l'intérieur du tube avec une zone conductrice de la première électrode 30.
Pour la deuxième électrode 40, le montage est tout-à-fait similaire, avec une traversée conductrice radiale comprenant un tige conductrice 42.
En ce qui concerne la troisième électrode 50, on aurait pu également prévoir une traversée conductrice, mais on a prévu dans cet exemple que la surface intérieure du fourreau 70 est rendue conductrice de la même manière que la surface conductrice des électrodes, c'est-à-dire de préférence par cofrittage d'une céramique conductrice sur une céramique isolante. La zone conductrice est représentée par la ligne tiretée 90 déjà mentionnée. Une continuité électrique conductrice peut être établie ainsi depuis l'électrode 50 jusqu'à l'extérieur du tube, comme le montre la ligne tiretée 90 qui part de l'électrode 50 et qui va jusqu'au delà de l'électrode 60. La partie conductrice extérieure au tube peut alors constituer une connexion extérieure de la troisième électrode 50. Pour cette raison, on peut considérer que le fourreau constitue lui-même une électrode, au même potentiel que l'électrode 50.
La connexion de l'électrode finale 60 avec l'extérieur peut se faire également par le fond du tube, soit par un contact direct avec la céramique si sa face externe est conductrice et en contact de conduction électrique avec sa face intérieure au tube ou bien si elle est entièrement réalisée en céramique conductrice, soit par une traversée conductrice, avec une tige 62, depuis la face intérieure de l'électrode jusqu'à l'extérieur du tube si seule la surface de céramique intérieure au tube est conductrice. La traversée passe dans ce cas à travers le bloc de céramique isolante constituant l'électrode 60 et non pas à travers le fourreau 70. Elle s'étend axialement et non radialement.
L'ensemble du collecteur est alors formé de céramiques, certaines parties étant en céramique électriquement isolante mais de très bonne conductivité thermique, et d'autres parties étant en céramique électriquement conductrice et reliées à des tiges conductrices passant à travers la céramique isolante. On obtient donc un bloc de collecteur dont les parties ont des propriétés thermomécaniques homogènes.
On a avantage à réaliser l'ensemble du collecteur par cofrittage des céramiques, c'est-à-dire en montant les électrodes et le fourreau en place les uns par rapport aux autres alors que ces pièces sont encore dans l'état de céramiques crues, et en effectuant le frittage pour toutes les céramiques à la fois. Il est toutefois possible aussi de fortement associer les électrodes au corps par traitements thermiques successifs ou bien aussi d'effectuer des cofrittages partiels de certains sous-ensembles et d'associer ensuite les sous-ensembles entre eux avec ou sans autre opération de frittage.
La figure 4 représente de manière isolée la première électrode 30. Dans cet exemple de réalisation, l'électrode est superficiellement conductrice sur presque toute sa surface, mais pas à sa périphérie. Elle sera d'ailleurs en contact à sa périphérie avec le fourreau 70. L'électrode est réalisée par usinage d'une pâte crue de céramique isolante. L'électrode usinée est revêtue d'une couche fine de céramique conductrice crue 35 représentée par un trait tireté. La délimitation de la zone conductrice peut se faire soit par masquage des zones qui doivent rester isolantes, soit par enlèvement sélectif après dépôt uniforme sur toutes les surfaces. L'électrode 30 peut être frittée préalablement à son insertion dans le fourreau 70, ou bien insérée d'abord dans le fourreau 70 puis cofrittée avec le fourreau. Si elle est frittée en même temps que le fourreau, la liaison mécanique entre l'électrode et le fourreau n'en sera que plus résistante et la conductivité thermique améliorée. La traversée conductrice permettant de relier l'électrode au fourreau est réalisée en prévoyant un perçage radial 36 dans lequel on pourra insérer la tige conductrice 32 visible à la figure 3 ; cette tige sera de préférence mise en place dans le perçage avant frittage commun de l'électrode et du fourreau. Elle est en contact d'un côté avec la couche de céramique conductrice 35. Le frittage assure l'adhérence de la céramique conductrice superficielle 35 avec la céramique isolante qui forme le corps de l'électrode 30.
La figure 5 représente la deuxième électrode 40 prise isolément. Elle est constituée en principe de la même manière que la première, à savoir par frittage d'un corps de céramique électriquement isolante crue ayant la forme de l'électrode désirée, revêtue partiellement d'une couche mince de céramique conductrice crue 45. Un perçage 46 sert à laisser passer une tige 42 pour l'établissement de la traversée conductrice.
La figure 6 représente la troisième électrode 50 prise isolément, consitutée comme les autres avec une couche superficielle locale 55 de céramique conductrice, mais pas de perçage dans le cas où on ne prévoit pas de traversée conductrice pour sa connexion à l'extérieur.
La figure 7 représente la quatrième électrode 60 avec sa couche de céramique conductrice superficielle locale 65, et son perçage 66 pour une traversée conductrice. La figure 8 représente le fourreau cylindrique 70 pris isolément, avec ses ailettes radiales 80. On remarque des perçages 72 et 73 dans le fourreau, qui viennent en regard des perçages 36 et 46 de la première et la deuxième électrode 30 et 40 lorsque celles-ci sont montées dans le fourreau, pour laisser le passage aux tiges conductrices 32 et 42. En effet, les tiges conductrices traversent dans ce cas non seulement l'épaisseur des blocs de céramique isolante qui constituent les électrodes 30 et 40, mais aussi l'épaisseur du fourreau 70. Il n'y a pas d'ailettes à l'endroit des perçages 72 et 73 afin que les tiges conductrices qu'on placera dans les perçages soient accessibles. Les perçages 72, 73, 36 et 46 servent en même temps à assurer le positionnement correct des électrodes en céramique dans le fourreau 70.
Les différents éléments constitutifs du collecteur (électrodes, fourreau) peuvent être réalisés avec l'aide des techniques céramiques conventionnelles. De préférence, le fourreau 70 avec ses ailettes 80 est de préférence réalisé, du fait qu'il est cylindrique, par extrusion d'une pâte de céramique crue. Les ailettes peuvent avoir une surface rainurée (rainures également réalisée pendant l'extrusion) pour améliorer la dissipation de la chaleur. La conformation du fourreau peut être complétée par d'autres opérations d'usinage et perçage de la pâte de céramique crue. Les électrodes sont de préférence réalisées par extrusion puis usinage de ces blocs pour leur donner la forme désirée (conique avec une ouverture au sommet et des décrochements facilitant leur mise en place dans le fourreau). Les blocs de céramique électriquement isolante crue sont revêtus d'une barbotine de céramique électriquement conductrice crue. Alternativement, elles pourraient être revêtues d'une encre conductrice à base de métal réfractaire (tungstène notamment).
Sur les figures, on a représenté des électrodes dont les parties conductrices sont à symétrie de révolution. On peut cependant prévoir n'importe quel motif de zone conductrice sans difficulté particulière, alors que l'usinage de blocs métalliques selon des formes non symétriques posait beaucoup plus de problèmes dans l'art antérieur.
Cette disposition permet de limiter les électrons réfléchis en créant une dissymétrie du champ électrique appliqué par l'électrode ainsi constitué tout en conservant une électrode axisymétrique simple à fabriquer. Les blocs de céramique composite crue revêtus d'une couche électriquement conductrice sont insérés dans le fourreau, les tiges des traversées conductrices sont mises en place, une pâte conductrice (céramique ou encre conductrice au tungstène) peut être déposée, par exemple au pinceau, sur les extrémités de ces tiges pour faciliter la liaison électrique entre ces tiges et les surfaces conductrices des électrodes. De même, une encre conductrice au tungstène ou une pâte de céramique conductrice peut être déposée à l'intérieur du fourreau, au pinceau et/ou par trempage et/ou par projection ou pulvérisation, pour réaliser la surface conductrice représentée par la ligne 90 de la figure 3. Un film conducteur peut également être déposé à l'extérieur du fourreau (sans établir de liaison électrique avec les surfaces intérieures au tube), pour assurer le blindage électromagnétique du collecteur.
La dernière électrode 60, qui forme le fond du tube, est mise en place, avec sa tige conductrice 62, après ces opérations. L'ensemble des électrodes, du fourreau, et des tiges conductrices, est cofritte pour aboutir à la structure de collecteur désirée.
La figure 9 représente, en vue partiellement ouverte, le bloc de collecteur ainsi réalisé. Dans sa version préférée, toutes les électrodes ainsi que le fourreau sont en céramique au moins superficiellement conductrice. La céramique préférée pour toutes les parties isolantes est de préférence à base de nitrure d'aluminium AIN (jusqu'à 100%). La conductivité thermique du nitrure d'aluminium est d'environ 180 watts/m. °K. Au nitrure d'aluminium peuvent être mélangés en faible proportion du carbure de silicium SiC ou du nitrure de titane TiN. Des ajouts de frittage en faible proportion (inférieure à 10%) peuvent être inclus dans la pâte de céramique crue pour faciliter le frittage ou le cofrittage avec d'autres céramiques.
Pour les parties électriquement conductrices de l'électrode, la céramique est de préférence en nitrure de titane TiN, mais peut être également en carbure de titane TiC, carbure de tungstène WC, carbure de silicium SiC. Ces matériaux peuvent être mélangés à du nitrure d'aluminium. Dans le cas où les parties superficielles conductrices sont métalliques, le métal est de préférence du tungstène ou du molybdène. Là encore des ajouts de frittage sont avantageusement prévus, notamment pour faciliter le cofrittage avec le nitrure d'aluminium. La granulométrie des poudres utilisées pour réaliser les céramiques permet de jouer sur la texture de la surface conductrice de l'électrode, une granulométrie contrôlée de l'ordre du micromètre (0,5 à 2 micromètres) aboutissant à former des microcavités superficielles tendant à limiter l'émission secondaire d'électrons lorsque l'électrode est bombardée par des électrons. Les tiges conductrices constituant les traversées dans les céramiques isolantes peuvent être en nitrure de titane, en carbure de titane, ou en carbure de silicium, ou en mélange de ces matériaux. Là encore, des ajouts de frittage peuvent être prévus. Les tiges peuvent aussi être en tungstène ou molybdène.
Les ajouts de frittage peuvent être typiquement de l'oxyde d'yttrium Y203, de l'oxyde de calcium CaO, du fluorure d'yttrium YF3, du fluorure de calcium CaF2.
Le nitrure d'aluminium (isolant) et le nitrure de titane (conducteur) présentent des caractéristiques voisines, en particulier en termes de cinétique de densification lors du cofrittage, aboutissant à une liaison forte inorganique, de type iono-covalente.
On sait que la céramique crue subit un rétreint important lors du frittage (de l'ordre de 15 à 30%). On tient évidemment compte de ce rétreint pour déterminer l'usinage des pièces de céramique crue. On profitera de ce rétreint pour assurer un frettage (serrage radial vers l'intérieur) du fourreau sur les électrodes pendant l'opération de frittage.
Les assemblages d'électrodes ainsi réalisés peuvent supporter de très hautes températures de fonctionnement sans entraîner des phénomènes de dégazage comme sur des électrodes métalliques de l'art antérieur.
Concernant le fourreau, on peut remarquer que l'invention peut faciliter le refroidissement du tube par fluide (et notamment un liquide tel qu'une huile isolante électrique ou de l'eau désionisée) si on mélange dans le corps du fourreau des canaux réalisés au cours de l'extrusion du fourreau. En effet dans l'art antérieur, le fluide devait posséder une rigidité diélectrique suffante pour s'accommoder des faces externes des électrodes et de l'enveloppe externe soumises à des tensions différentes entre elles.
Dans l'invention, le structure de l'enveloppe externe en céramique peut avantageusement être traversée dans le sens longitudinal par des capillaires dans lequel on peut faire circuler un fluide de refroidissement. Outre la proximité du fluide de refroidissement par rapport aux surfaces internes à refroidir, cette disposition permet d'utiliser un fluide standard tel que de l'eau puisque le fluide n'est plus directement au contact des électrodes. Le fluide est en contact direct avec l'enveloppe sur toute la longueur de celle-ci. Cette nouvelle disposition, permet également d'éviter l'apparition de couple galvanique, .de corrosion chimique. Le nitrure d'aluminium étant particulièrement inerte chimiquement.

Claims

REVENDICATIONS
1. Tube à vide caractérisé en ce qu'il comporte au moins une électrode (30, 40, 50, 60) réalisée sous forme d'un bloc de céramique à forte conductivité thermique, ce bloc étant conducteur de l'électricité sur au moins une partie de sa surface.
2. Tube selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le bloc de céramique a une conductivité thermique d'au moins 100 watts/m. °K à 20°C.
3. Tube selon la revendication 2, caractérisé en ce que la céramique utilisée pour réaliser le bloc de céramique est une céramique isolante revêtue d'une couche conductrice.
4. Tube selon la revendication 3, caractérisé en ce que la céramique isolante est principalement à base de nitrure d'aluminium.
5. Tube selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'électrode comprend un bloc de céramique électriquement isolante à forte conductivité thermique, cofritte avec une couche mince superficielle de céramique électriquement conductrice.
6. Tube selon la revendication 5, caractérisé en ce que la céramique superficiellement conductrice est à base de nitrure de titane, ou carbure de titane, ou carbure de silicium, ou carbure de tungstène, ou en mélange de deux ou plus de ces matériaux.
7. Tube selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la partie superficiellement conductrice de l'électrode est en tungstène ou molybdène.
8. Tube selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend, pour assurer la connexion de l'électrode vers l'extérieur du tube, une tige en céramique conductrice (32) en contact d'un côté avec une partie conductrice de l'électrode, à l'intérieur du tube, et traversant une céramique isolante faisant partie de l'électrode et/ou d'une enveloppe isolante du tube, et cofrittée avec cette céramique isolante.
9. Tube selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe externe en céramique électriquement isolante et des moyens de refroidissement par circulation de liquide en contact direct avec cette enveloppe sur toute la longueur de l'enveloppe.
10. Procédé de fabrication de tube à vide caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation d'au moins une électrode du tube en céramique composite, en cofrittant une céramique électriquement conductrice sur une céramique électriquement isolante à forte conductivité thermique.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la céramique conductrice est déposée en couche mince sur une partie de la surface de la céramique isolante.
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